（电机与电器专业论文）无轴承永磁薄片电机有限元分析及控制技术.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e s e a r c ha r e ao ft h eb e a r i n g l e s sm o t o r s ，t h eb e a r i n g l e s sp e r m a n e n tm a g n e ts l i c e m o t o r ( b p m s m ) h a si n h e r i t e dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n g l e s sm o t o r i tc a nn o to n l y g e n e r a t ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u et od r i v et h el o a d , b u ta l s og e n e r a t er a d i a ls u s p e n s i o nf o r c et o r e a l i z es u s p e n s i o no f t h er o t o r h lp a r t i c u l a r , i t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h i ns h a p eo f t h er o t o r c a nr e a l i z ep a s s i v e l y3 - f f e 觑l o m d e g r e ee v i t a t i o n t h eb p m s mh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei n t h ef i e l do fu l t r a - c l e a nl i q u i dt r a n s p o r tb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，n o c o n t a c ta n dn ow e a r u n d e rt h es u p p o r to ft h eh i g i lt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fj i a n g s up r o v i n c e ( b g 2 0 0 5 0 2 7 ) ，t h eb p m s m i sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n s y ss o f t ；w a r e t h eh a r d w a r eo fp o w e ra m p l i f i e ro rt h ec o n t r o ls y s t e mi st h o r o u g h l ys t u d i e d t h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mh a r d w a r ei sd e s i g n e d , a n dt h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d , t h ee x p e r i m e n t a ld e b u g g i n gi sc a r r i e d o u t t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eb p m s ma r ei n t r o d u c e d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er a d i a ls u s p e n s i o nf o r c ei se s t a b l i s h e di nc a s eo fr o t o ro f f - c e n t e r t h e m e t h o do fr o t o rf l u xo r i e n t a t i o nc o n t r o li sa d o p t e dt od e s i g nt h et o r q u ea n dr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e d e c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h eb l o c kd i a g r a mo fd e c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e mi sg i v e n 2 ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ef i n i t ee l e m e n t , 2 dm a g n e t i cf i e l d sa r ea n a l y z e dt ov a l i d a t e t h ep r i n c i p l eo fr a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sg e n e r a t e db yt h e 缅i 钯e l e m e n ta n s y ss o f t w a r e t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gt h er a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa n dt h ec u r r e n t so fr a d i a ls u s p e n s i o nw m d i n g ， a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h er a d i a ls u s p e n s i o nf o r c e sa n dp e r m a n e n tm a g n e tr a d i a lt h i c k n e s s a r ca n a l y z e da n dc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d et h eb a s i sf o ro p t i m a ld e s i g n o f t h em o t o rs t r u c t u r e 3 。a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t sf o rt h e4 k wb p m s m , t h es e l e c t i o no ft h ep o w e r s w i t c ht h y r i s t o r , r e c t i f i e r sa n df i l t e rc a p a c i t o ri sc o n s i d e r e d t h ef o c a lp o 缸a r et h eh a r d w a r e d e s i g no f p o w e ri n v e r t e rc i r c u i t s , o p t o - i s o l a t i o nc i r c u i t , f a u l tp r o t e c t i o nc i r c u i t sa n ds oo i l 4 t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h eb p m s mi sd e s i g n e da n ds i m p l i f i e db a s e do nt h er o t o r f l u xo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lm e t h o da n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so f t h eb p m s m 砸讧s 3 2 0 l 1 ：2 8 1 2o f t ic o r p o r a t i o ni su s e di nh a r d w a r ed e s i g n , a n dt h es o f t - w a r eo ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e d t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e b u g g e da n do p t i m i z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f d i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma r eg i v e na n da n a l y z e d t h er e s u l t sv a l i d a t et h ec o e s $ o ft h ec o n t r o l s y s t e ma n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：b e a r i n g l e s sm o t o r , s l i c em o t o r , m a t h e m a t i c sm o d e l ，p o w e rd r i v e , f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，d i g i t a lc o n t r o l p r o j e c ts u p p o r t e d 坶h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ho f j i a n g s up r o v i n c e ( b g 2 0 0 5 0 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 图表说明 图1 1 五自由度磁轴承支承的高速电主轴结构示意图3 图1 2 无轴承永磁薄片电机被动悬浮原理图3 图2 1 无轴承薄片转子电机结构示意图10 图2 2 无轴承电机中的麦克斯韦力一1 l 图2 3 无轴承电机中的洛仑兹力1 2 图2 4 转子偏心时的径向位移1 6 图2 5 无轴承永磁薄片电机控制系统框图1 8 图3 1 三角形单元示意图2 3 图3 2 永磁体边界法向的定义2 9 图3 3 径向磁化永磁体的分析模型3 0 图3 4 网格剖分图3 3 图3 5 尸m = l 时的矢量图3 4 图3 6p b = 2 时的矢量图。3 4 图3 7 尸m = l ，尸b = 2 时的矢量图“3 4 图3 8p m = i 时的气隙磁场分布3 4 图3 9p b - 2 时的气隙磁场分布3 4 图3 1 0p m = i ，p b 2 时的气隙磁场分布3 4 图3 11p m = i 时的转子受力图3 5 图3 1 2 如- 2 时的转子受力图3 5 图3 1 3p m = i ，p b - - 2 时的转子受力图3 5 图3 1 4 转子圆周受力分布3 6 图3 1 5 转子偏心时径向力与悬浮电流的关系3 6 图3 1 6 电机转矩与绕组电流的关系3 7 图3 17 径向悬浮力和圆环转子宽度r 的关系3 7 图4 1 主电路结构示意图3 8 图4 2i g b t 分立元件驱动电路一4 0 图4 3 实现慢降栅压的电路4 2 江苏大学硕士学位论文 图4 4 充放电型i g b t 缓冲吸收电路：4 3 图4 5 三种放电阻止型吸收电路4 3 图4 6i p m 系统连接图4 5 图4 7i p m 保护电路的硬件4 6 图4 8 自举电路的初始充电回路4 7 图4 9 自举电路工作时序图4 7 图4 10 故障信号检测电路4 8 图4 1 1 温度检测电路4 9 图4 1 2 滞环比较器电路5 0 图4 1 3 含死区脉冲分配电路5 l 图5 1 无轴承永磁薄片电机数字控制系统5 3 图5 2 脉冲信号调理电路图5 5 图5 3 电流信号转换电路图5 6 图5 4 电涡流传感器基本工作原理示意图”5 7 图5 5 径向x 方向的径向位移接口电路5 8 图5 6 无轴承永磁薄片电机数字控制系统软件主程序流程图5 9 图5 7i n t l 中断子程序5 9 图5 8t 2 周期中断子程序流程图6 0 图5 9p i d 运算流程图6 0 图5 1o 转矩绕组a 相给定电流及反馈电流波形6 2 图5 1 l 悬浮绕组c 相给定电流及反馈电流波形”6 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：专翕巫趣 导师签名： 犯扛 签字日期：_ 绍年月r 妇签字日期：弘一年月知 签字日期：绍年月r 妇签字日期：弘一年6 月蜩 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；余亚超 日期：撕年f 月哆日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无轴承电机研究背景 电机作为极为重要的动力设备，在国民生产、国防建设和人民生活的各个领 域得到广泛的应用。随着科学技术的不断发展和生产、生活需要，对高速、超高 速的电机有了越来越多的需求，如高速精密机床、涡轮分子泵、高速离心机等。 不仅如此，以同等功率的电机而言，高速电机具有体积小、重量轻等特点，这对 于提高航空航天器、医疗设备的工作性能具有极其重要的意义【l 】，所以高速电机 的研究与发展十分迅速。然而高速电机中机械轴承严重制约着电机向更高转速和 大功率的方向发展。 由2 0 世纪六6 0 年代发展起来的磁轴承，由于其无摩擦、无磨损、不需润滑和 密封、高速度、高精度、长寿命等一系列优良特性，从根本上改变了传统的支承 形式，己在能源交通、机械加工工业、航空航天及机器人等高科技领域得到了应 用。 磁轴承是一种可以有效解决高速电机转子支承问题的方案，它不仅可以实现 对转子的无接触支撑，而且克服了气浮、油浮轴承的缺点，无须润滑和密封，不 存在微粒污染和维护周期短的问题。磁轴承的基本原理是利用电磁力维持转子的 稳定悬浮并可以主动控制转子轴心位置的新型主动轴承，其基本机械结构与电机 相似，都由硅钢片叠压而成的定子和转子组成，定子开槽嵌入通电线圈以提供电 磁力使转子轴悬浮。由于磁轴承相对于常规机械式轴承、气浮和液浮轴承的诸多 优越性，已在现代化高速旋转电机中得到了一些应用，但其也存在一些问题：由 于磁轴承的定转子位于电机两侧，需要占据额外的轴向空间。一台高速电机要实 现悬浮运行，需要两个径向和一个轴向电磁轴承，造成系统的整体体积庞大，需 用较多的铁心线圈与功率驱动装置，制造成本高，系统复杂，相应消耗在轴承上 的能量也较大。多个外部磁轴承的设置还造成了轴向尺寸的增长，限制了电机临 界转速的提高。这些缺陷限制了磁轴承的在工业领域的广泛应用，特别是同时要 求高速、大容量和对功率密度比要求较高的场合。 为了解决磁轴承的缺陷，一种新型的无轴承电机应运而生【2 1 。它利用磁轴承 和普通旋转电机在定转子结构、材料以及激励绕组嵌放上的许多相似性，将两者 江苏大学硕士学位论文 的定子合二为一，把用于产生悬浮力的原磁轴承线圈嵌入旋转电机的电枢铁心 中，使电机在具有驱动机械负载旋转的同时又具有了支撑转子自悬浮的能力。无 轴承电机在定子中嵌入了与原绕组不同极对数的悬浮力绕组，当两套绕组同时通 电时，电机气隙中同时存在的两个不同极对数的旋转磁场，破坏了原有气隙磁场 的对称性，也因此产生了所需要的径向电磁力，使转子与定子之间可完全无接触 地悬浮。这种在定子中嵌入不同极对数绕组的电磁结构打破了传统电机学理论中 关于定、转子极对数必须相等以产生单向恒定转矩，气隙磁场必须保持平衡以消 除转子受到的径向磁拉力的旧有框架，是对交流电机理论的一个重要突破，开创 了旋转型磁悬浮无轴承电机的研究方向，具有很好的学术价值和应用前景。 由于将原本独立外置的径向磁轴承与旋转电机的合并，整个悬浮电机系统的 轴向尺寸被大大减小，功率密度，临界转速、转轴刚度、空间利用率以及电磁效 率等均有很大提高。与磁轴承相比，无轴承电机的具体优点如下： ( 1 ) 电机系统的占用体积减小，功率密度提高，材料耗费减小，制造成本降 低，但悬浮力大小并未损失。 ( 2 ) 径向悬浮力均匀作用在转子全长范围内，减小了机械耦合。 ( 3 ) 轴向长度大大降低，提高了临界转速，使得同时实现高速、大容量与高 功率密度成为可能。 ( 4 ) 硬件控制系统得到简化，悬浮系统消耗功率降低，提高了系统效率，降 低了成本。通过电机的转矩绕组形成偏置磁场，不需要磁轴承中单独的励磁电源 供电。磁轴承系统的径向悬浮系统需要4 个功率放大器控制轴承绕组，无轴承电 机系统的悬浮系统仅需要一个逆变器对悬浮绕组进行供电。 ( 5 ) 结构紧凑。无轴承技术可以在小型，甚至微型电机中得到应用。 因此，无轴承技术既是高转速、大功率交流电机实现稳定运行的技术研发方 向，又能在长寿命、小体积、需要对转子进行密封的应用领域中拥有较好的前景。 1 2 无轴承薄片电机的特点及应用 无轴承永磁薄片电机示意图如图1 1 ( a ) 所示，同普通电机一样，这种电机 由定子、永磁转子、线圈构成。但不同于普通电机的是，这种电机有两套绕组， 转矩绕组和悬浮力绕组。其特点是结构紧凑，且控制不复杂，为此，国际上集中 在无轴承永磁薄片电机的研究和应用方面。目前己经实用化的无轴承永磁电机只 2 江苏大学硕士学位论工 有无轴承承碰薄片电机”“，其它类型的无轴承水磁电机由于电机结构复杂，控 制难度大，生产成本高等众多原因，没有得到工程应用。 该电机是在利用无轴承技术实现转子径向悬浮的基础上，依靠磁阻力实现其 它自由度的被动悬浮1 ”。 国i 句 ( a ) m n # 体i i 目 ( b ) # i * g 目 图ii 无轴承承磁薄片电机示意图 无轴承永磁薄片电机是一种新型的特种电机，可实现五自由度全悬浮。五自 由度是指在x y z 空间坐标系中x 。y 平面上的两个径向自由度、一个轴向自由度以 及两个扭转方向自由度。该电机的径向主动悬浮与普通无轴承电机悬浮机理相 同，在此h ；再详细叙述。其被动悬浮依靠磁阻力效应实现，即磁阻力使转子始终 向磁阻最小的方向运动被动悬浮原理图如图i2 所示。 y ，_ s m t o ，_ 尹，_ ，鼍触 幽j2 无轴承水磁薄片电机被动悬浮原理图 无轴承水磁薄片电机除了具备其它无轴承电机无摩损、无机械噪音、无需润 滑、免维护、寿命长等特点外，它还有独特的优点，主要体现在以下几个方面 ( i ) 结构简单 与其它无轴承电机相比，无轴承永磁薄片电机轴向长度比径向长度要小得 多轴向利用率较高，而且结构简单、紧凑，从而可以进一步减小体积，便于微 型化。 ( 2 ) 密封性好、可靠性高 定、转子可完全隔离，无需额外的轴承：转轴与驱动机构( 如泵头，如图1i ( b ) 所示) 易于一体化设计，密封教果好，可靠性高，即使被腐蚀性的化学物 质损坏，泵头部分更换起来也比较方便a 簪 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 功耗小、成本低 悬浮控制的偏置磁场由永磁体提供，无需额外励磁电流，悬浮功耗比小、效 率高：通过矢量控制技术可有效地控制输送介质( 如血液等) 的流量和压力，控 制简单、方便，可调速度范围宽，调速性能优良。无轴承永磁薄片电机结构上的 优势使其在生、化、医、机电等驱动领域的密封传送和生产系统中具有独特的应 用价值【钆1 3 1 。 无轴承永磁薄片电机主要应用领域： ( 1 ) 医疗器械 在植入式人工心脏系统中，因摩擦和发热易引起溶血、凝血和血栓【1 6 1 。无 轴承电机作为驱动部分起到极其重要的作用，如在开胸、开颅等大型手术中，作 为给病人提供压力、流速可调血液的血泵使用；或作为心脏移植手术前的临时心 脏和手术后的人工心脏使用。 ( 2 ) 生命科学 生物科学中，为保证一些物质如药品、酶类在生化反应过程中避免受到外面 的热源和微生物进入，对密封性提出较高的要求。 ( 3 ) 化工、半导体工业 半导体器件的质量主要取决于蚀刻、制板、清洗或抛光等加工过程中所使用 的腐蚀性化学液体的纯洁度和对传输量的控制效果。同时，在化学液体的传输过 程中易产生沉淀和微粒，从而加大了维护时间和维修成本。 ( 4 ) 核废料处理 在核废料处理中，为避免危险物质被工作人员接触或对环境造成污染，要求 能密封性好、维护方便的装置。 ( 5 ) 航空航天 在航空航天领域，如卫星的姿态控制系统中使用的动量轮和用于储存电能的 动能电池，需要有高可靠性、高集成度、长寿命的电机驱动。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 作为无轴承电机的一种，前文所述无轴承电机的普遍研究热点同样适用于薄 片型无轴承电机。目前国内外研究已完成了薄片型永磁无轴承电机的运行机理研 究，已实现空载、负载稳态和小扰动下的可靠悬浮实验运行。日本和瑞士的学者 4 江苏大学硕士学位论文 己经完成了薄片型无轴承电机在较高转速下的运行实验，其中1 ls c h o e b 提出含 有四极悬浮绕组和两极转矩绕组的薄片电机己能够实现4 2 0 0 0 叩m 的运行 - q 。可以 说薄片无轴承电机正在从实验室走向工业实用。其中瑞士联邦工学院在 l e v i t r o n i x 公司等研究机构的共同合作下，研制的小功率薄片型永磁无轴承电机 已有部分产品初步实现了商品化，在工业和民用，特别是超洁净离心泵领域中得 到了应用【1 3 。1 5 1 。此外瑞士联邦工学院和s u l z e r 泵公司合作完成了3 0 k w 无轴承密封 泵的研制，样机进入工业应用阶段。 国内对薄片型无轴承电机的研究起步较晚，近几年来，国内南京航空航天大 学、江苏大学、浙江大学等高校先后展开了对薄片型永磁无轴承电机的设计、建 模、位移检测、控制方面的研究，取得了一定的成果。 随着研究工作不断深入，薄片型永磁无轴承电机是在电机控制技术、检测传 感技术和控制器等方面的发展上不断由理论变为现实。无轴承永磁薄片电机的发 展主要集中在以下几个方面【1 1 引。 ( 1 ) 电机结构、参数研究 目前国内对薄片型无轴承电机的研究主要集中在本体设计和整体系统的实 现上。薄片型无轴承电机一般采用三相永磁内转子的电机结构。考虑到薄片型无 轴承电机一般额定功率较小，转子永磁体多采用便于制造安装的面贴式结构。为 了获得正弦性较好的磁密分布，需要对永磁体的形状进行优化。优化的出发点是 为了减小悬浮力的脉动，但实际设计操作中针对磁场正弦性和悬浮力脉动之间的 关系主要还是通过2 d 有限元验证来实现，尚缺乏理论上的依据与指导，另外也 忽略了绕组磁场非正弦分布对悬浮力脉动可能带来的影响。优化内容包括永磁体 材料、永磁体厚度、气隙长度、转子轴向长度等因素对无轴承永磁薄片电机悬浮 力、电磁转矩、功率损耗等性能的影响。利用现代先进的仿真技术( 如a n s o f i 、 a n s y s ) 软件对理论设计电机结构、参数进行验证，优化电机结构。 ( 2 ) 电机控制技术发展 近二十年来，电机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和人工智能技 术的发展，使得电机的控制理论和控制技术上升到一个新的高度。电机作为机电 能量转化装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之 中。近年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应 用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。 江苏大学项士学位论文 在实际应用中，电机已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升 到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要 求。这种新型控制技术已经不是传统的。电机控制“电气传动 而是“运动控 制 。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、 转矩力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。因此，现代电机控制技术为研 究无轴承薄片电机的控制提供了理论和实验基础，研究无轴承薄片电机直接转矩 控制、无速度传感器已经逐步成为可能。 ( 3 ) 电机驱动技术和控制器的发展 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅 猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高，电力电子技术、功率半导 体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。 目前经常使用的智能功率模块( i p m ) 就是典型的例子，i p m 除了集成功率器 件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信 号传送至控制器，以保证i p m 自身不受损害，由于集成度高，减少了以往电力 驱动部分庞大的体积。 在电机控制逆变电路方面，目前主要分为电流型与电压型。其中电流滞环比 较逆变器是简单而易实现的电流型逆变器。而电压型逆变器，目前在d v d t 、d i d t 方面控制的比较优秀的有两电平逆变器和三电平逆变器。由于电网环境下降、电 机控制的要求越来越高及电机的功率越来越大，三电平逆变器本身固有的特性， 三电平逆变器将在电机控制领域的应用越来越广泛。 有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是 对控制系统的基本要求。目前调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控 制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、 控制精度高、受环境影响不大等优点。 d s p 数字信号处理器的出现给电机的控制带来了新的生机，采用d s p 实现 数字化处理和控制己成为未来的发展趋势。近年来，各种集成化的单片d s p 性 能得到了很大的改善，软件和开发工具越来越多；价格却大幅度降低，低端产品 的价格己接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越来越 多的单片机用户开始选用d s p 器件来提高产品性能d s p 器件取代高档单片机的 6 江苏大学硕士学位论文 时机已经成熟。 电力电子器件和高速d s p 技术的发展，为无轴承永磁薄片电机在高速和超 高速领域得应用提供了物质和技术支持。 ( 4 ) 传感器技术的发展 在无轴承永磁薄片电机位移转速测量方面，传感器的发展由接触式向无接触 式方向发展，如霍尔等磁性传感器。由于取消了机械的滑动接触消除了故障和干 扰的根源，使得可靠性大大提高，同时与处理器结合，将模拟信号转换成数字信 号，实现信号数字化的处理，大大提高了处理速度和准确度。 无轴承永磁薄片电机的转子在正常工作时处于悬浮状态，想要测量转子的径 向位移必须采用非接触测量的方式。目一前主要的非接触位移传感器有以下几种 类型：电涡流位移传感器、电容位移传感器、光学位移传感器、霍尔传感器等。 电涡流位移传感器的频响特性较好，可达1 0 0 k h z ，分辨率高，但是这种传感器 内部包含起振电路、检测电路等，电路结构比较复杂，造成成本较高。电容位移 传感器的分辨率可达纳米级，但响应频率较低，只有1 0 一- 2 0 k h z 左右，常用来测 量绝缘体，但要求绝缘体的介电常数一致，但是这种传感器的成本也比较高。光 学位移传感器具有抗电磁干扰( e m i ) 、重量轻、体积小、对环境要求不高，而且 这种传感器的分辨率也可达纳米级，但频响特性比较低，常见的小于2 5 k h z ，同 样这种传感器的价格也相当昂贵。霍尔传感器体积小、频响特性较好可达 1 0 0 k h z 、动态特性好、对外围电路要求简单、使用寿命长及价格低廉，且抗外 磁场干扰能力强。 对于测速传感器的有光电码盘等大多数都是接触式测量，而无轴承永磁薄片 电机则要求非接触测量。非接触式测速传感器按工作方式可以分为光电式和电磁 式。使用光电式测速传感器就是通过对光脉冲信号检测和计算来得到转子转速， 从而求出角度。电磁式通过能测量磁通密度的元件对被测目标上的磁标记( 如永 磁体) 得到磁脉冲信号，从而得到转子的转速与角度信息，能测量磁通密度的元 件通常为霍尔元件。 从以上对各种传感器的特点及无轴承永磁薄片电机本身的结构特点来看，无 轴承永磁薄片电机转子是永磁转子，这就相当于在转子上做上了磁标记，为采用 霍尔传感器作为位移和测速传感器提供了极大的便利。 7 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究意义 在无轴承电机的研究中，无轴承永磁薄片电机是一种新型的无轴承电机，因 其转子采用的是永磁薄片转子的特殊结构( 转子长度大大小于转子的直径) ，所 以只需控制转子的两个径向自由度和旋转自由度，而另外三个自由度在磁吸力的 作用下被动悬浮。这种电机由于具有无摩擦、无磨损、无污染、不需润滑和密封、 高速度、高精度、寿命长、结构紧凑等独特优点，在化工工业、半导体工业、生 命医学科学等特殊液体传输领域具有广阔的应用前景，积极开展无轴承永磁薄片 电机的研究和应用工作具有现实和深远的意义。 本课题受江苏省高技术研究( b g 2 0 0 5 0 2 7 ) 基金资助，着重对无轴承永磁薄 片电机样机参数进行有限元分析，对驱动电路及控制系统的硬件和软件进行研 究。驱动电路主要研究了c r p w m 功率放大电路。控制系统作为无轴承永磁薄片 电机系统的关键部分，对电机运行性能的好坏起着决定性的作用，因此研究具有 高精度、响应快的无轴承永磁薄片电机的控制系统就显得非常的必要。 这项研究对于提高我国无轴承永磁薄片转子电机及离心泵系统的研究和应 用水平，解决众多特殊介质的传输难题，奠定无轴承永磁薄片转子电机及密封泵 在国际上的研究地位具有重要的意义，特别是将具有高品质的无轴承永磁薄片转 子电机及离心泵系统用于石油化工行业、半导体工业、生物工程和航空航天等特 殊液体传输领域，对改变传统的液体传输工艺方式和提高产品的科技含量具有现 实意义，解决难以实现和完善的特殊介质无轴承密封传输的技术难题，对提高产 品科技含量，降低生产成本，改善生产环境，提高生活质量，打破国际上独家公 司( 瑞士l e v i t r o n i x 公司) 在无轴承电机应用方面的技术垄断地位，走自主创新 之路，赶超国际先进水平，提高我国的经济实力具有现实意义。 1 5 本文的主要研究内容 本文具体工作包括以下几部分内容： 第一章绪论，简单介绍了无轴承永磁薄片电机的研究背景，特点与应用， 国内外研究现状及发展趋势，并对本文的研究意义和主要工作内容进行了概括。 第二章无轴承永磁薄片电机的数学模型及控制策略，推导并分析了在转子 偏心情况下径向悬浮力和电磁转矩的数学模型，并对电机系统的控制策略进行了 江苏大学硕士学位论文 简单介绍。 第三章无轴承永磁薄片电机有限元仿真，首先介绍了电磁场有限元法的基 本理论。根据所设计的样机参数，基于a n s y s 有限元分析软件，对无轴承永磁 薄片电机的工作机理进行了验证；分析了径向悬浮力、转矩与电流之间的关系。 第四章给出了c r p w m 逆变器主电路，分析了c r p w m 逆变电路主要元器 件的选取情况，详细考虑了i g b t 驱动与保护电路，给出c r p w m 逆变器各功能 模块设计过程。 第五章基于转子磁场定向的控制方法，对无轴承永磁薄片电机的数字控制 系统的软硬件进行设计。针对所设计的数字控制系统的硬件构成，设计了以 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心的软件系统，并进行了调试和实验，给出了该电机稳 定悬浮、旋转及转速变化时相关局部实验波形。 第六章全文总结与展望，对本文研究的工作进行了总结，并提出了需要进 一步研究的工作。 9 江苏走学硕士学位论文 第二章无轴承永磁薄片电机数学模型及控制策略 本章主要内容是分析无轴承永磁薄片电机工作原理和径向力产生机理，咀悬 浮力绕组极对敷为2 ，转矩绕组极对数为1 为例，推导了无轴承永磁薄片电机数 学模型。最后根据无轴承永磁薄片电机的特点采用转子磁场定向方式来控制无轴 承永磁薄片电机，并设计无轴承永磁薄片电机的控制系统。 2 1 无轴承永磁薄片电机工作原理 211 无轴承永磁薄片电机基本结构 无轴承永磁薄片电机基本结构如图 2 i 所示由转予、铁心柱、径向悬浮力 绕组和转矩绕组组成。这种电机的磁路通 过永磁转子、铁芯柱和电机底部的定子磁 轭形成回路。控制无轴承电机轴承绕组和 转矩绕组中的电流能实现薄片转于径向 位置和旋转的主动控制。 2 1 2 电机中的麦克斯韦力与洛伦兹力 在电机的定、转子中存在两种电磁力 体在碰场中运动而产生的力称为洛仑兹力 机旋转，产生转矩。 厂 l 一 图2l 无轴承薄片转子电机结构示意闰 洛伦兹力麦克斯韦力。载流导 它沿切向方向作用在转子表面，使电 磁场在不同磁导率的磁性物质边界上产生的表面张力称为麦克斯韦力，该力 的方向为垂直于铁磁物质表面向外，其大小与转于表面磁密平方成正比。当电机 转子和定子同心且当电流为正弦时，虽然电机中垂直作用于转于表面的麦克斯韦 力很大，但由于气隙磁通对称分布，故麦克斯韦力合力为零。当转于偏离气隙中 心，引起气隙磁通分布的不均匀，则作用在转子上的麦克斯韦力合力就不为零， 其中气隙减小处气隙磁密增大气隙增大处气隙磁密减小，作用在转子上的麦克 斯韦力合力将指向转子偏心使气隙减小的方向。转子的偏心量越大，作用在转予 上的麦克斯韦力舍力也就越大。 在均匀磁场中，麦克斯韦力的数学表达式为 江苏大学硕士学位论文 = 譬= b h s 训2 s ， 式中，= 所硒，所为相对磁导率，风为真空磁导率，s 为垂直于磁通召的麦克 斯韦力作用范围内的物体表面面积。在非均匀磁场中，假设磁力线垂直进出物体 表面，则该物体受到的沿直线防向上的麦克斯韦力的表达式为 e = 睁 ( 2 2 ) 式中，矽为直线z 与面积元舔法线之间的夹角，君为空间函数。 2 1 3 无轴承电机径向悬浮力产生机理 无轴承永磁薄片电机实际上是带有悬浮绕组的薄片型永磁同步电机，它的转 矩系统与常规永磁同步电机相似，转矩绕组电流与永磁磁场相互作用，产生了作 用于转子切向上的洛伦兹力，形成电磁转矩。悬浮力的产生则通过悬浮、转矩绕 组电流及其产生的空间磁场之间的共同作用产生。为了方便地实现轴向与扭转向 上的被动悬浮，薄片型无轴承电机通常采用永磁转子结构。 无轴承电机是根据磁轴承结构与电机结构的相似性，将磁轴承中产生径向力 的绕组与电机定子绕组按一定的顺序一起嵌入到电机定子槽中，只要保证径向力 绕组产生磁场的极对数尸b 与电机定子绕组产生磁场的极对数p m 两者之间的关系 满足：p b = p m 1 ，电机就能够产生可控的径向力和转矩力，采用转子磁场定向控 制策略来分别控制电机的径向力绕组电流和电机转矩绕组电流，就能够实现电机 转子的旋转和稳定悬浮，实现电机的无轴承化。 在无轴承电机中，当转子偏心或气隙磁场不均匀时，作用在转子上径向力的 合力不为零。通过转子位置的闭环控制，调节径向力的大小和方向，就能够使转 子悬浮于中心位置。无轴承电机在定 子槽中放入两套具有不同极对数的 绕组：转矩绕组( 极对数为尸m ) 和径 向力绕组( 极对数为几) 。径向力绕 组的引入，打破了电机原有旋转磁场 的平衡，使得电机气隙中，某一区域 的磁场增强，而对称区域的磁场减 ( 薹) 图2 2 无轴承电机中的麦克斯韦力 江苏托擘顽士学位论叉 弱产生的麦克斯韦力指向磁场增强 的一方。两个磁场之间的相互作用如 图22 所示，其中尸m = l ，p b - 2 。图22 ( a ) 中，在转子右侧的气隙中，两极磁场 与四极磁场方向相同，磁场相互叠加， 使得右侧气隙内的磁场增强；而在左 侧的气隙中两极磁场与四极磁场方 ( a ) c b 】 图23 无轴承电机中的洛仓兹力 向相反，叠加的结果使得左侧气隙中的磁场减弱，麦克斯韦力的台力指向磁场增 强的方向。图22 ( b ) 中，二极旋转磁场在转子上方的气隙中增强了四极旋转磁场， 使得转子上方气隙中的磁感应强度增加；同样原理，转子下方的磁感应强度减小， 麦克斯韦台力的方向指向转子上方。通过径向位置负反馈控制，根据转子位置来 调节二极旋转磁场的大小和方向，就能够实现转子的悬浮控制。 图2 3 所示的是当电机绕组极对数，m = 】，径向力绕组极对数p b = 2 时电机 中产生水平和垂直方向的洛伦兹力的情形。当p b = p m + 】无轴承电机径向力绕组 通电时，转子所受的麦克斯韦力和洛伦兹力方向相同，台力为麦克斯韦力与洛仑 兹力之和，如图2 2 和图2 3 所示；当尸b = 尸m i 时通电时转子所受到的台力为 麦克斯韦力减去洛伦兹力。 一般来说麦克斯韦力在径向力中占主要部分，而洛伦兹力所占比重小的多， 其表达式可写为： l = k ：。l ；= 睢。- + - k l ：t 2 3 ) = k = ( t k ) 0 ( 2 4 ) 式中，r 、r 分别是径向力绕组产生的径向力在x 轴和y 轴方向的分量； ，径向力电流刚度： 虹洛仑兹力常数； 厂一麦克斯韦力常数： h 、h 是转子磁场定向的旋转坐标系中d 轴和q 轴的电流分量- 此外，根据电磁场理论，当电机转子偏心时，电机转子还受到和偏心位移成 正比的麦克斯韦力的作用，这时一个固有的力，其表达式为： f 。= k 。x 江苏大学硕士学位论文 乏 = 恕 ； + 毛 乏 c 2 7 ， 俨掣 ( 2 渤 p 户铲t ) c o 咖 亿9 ， b 产去b 2 ( q ，, t ) s i n 州矿 峥“ 江苏大学硕士学位论文 多21 烈：? ? 伫 ( 2 1 ，) i c = 吲s i n ( 五一) p 7 吲2 瓦l r z r b b ( 2 - 1 2 ) 磊= 警扣警 j 乡。璺m ( 2 1 4 ) 【欢= 如2 。 卜辫姒2 c o s ( 肛彬 6 ， 【c = 善篆差5 衰瓷：蝣n ( 名一) 卜瑞q 列心肌 亿忉 i - 弓= i r 厶t p ，m 风p s l 。 2 ：( i s 2 d b r l d - - 如譬奶z ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 式中，y l d ，y l q 为转矩绕组和永磁体合成气隙磁链分量，砬d ，南2 q 为悬浮绕组电流 分量，上式中的“一由户b 与p m 的关系决定，p b - - - - p m + i 时为“+ 一，而尸b 听l 时为“。 当悬浮绕组通电时悬浮绕组在转矩绕组和转子永磁体共同产生的等效磁场 中会受到洛伦兹力。若电机气隙磁密为取缈) 和定子圆周的电流分布彳( 矿) ，则沿 圆周单位长度转子所受的洛伦兹力为： 鸩= 一彳( 伊) b ( 咖，d 尹( 2 1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 沿圆周积分，得到而y 方向上的洛伦兹力为： 尼：型竽c o s ( a 一) 之( 2 1 9 ) 毛= 乏丝s n ( 砷) 卜第嬲 幻) 。， 卜精( 1 ：，2 肌吨矾) 一 雕2 嚣落2 二2 裂 i = ( 蚝) ( 2 ，d 一：j ) r 7 翰2 丽? t p u p 丽e l , 2 k ，：里也 、。 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 转子偏心引起的麦克斯韦力 若悬浮绕组中电流为零，当转子偏离 电机中心位置时，引起电机气隙磁场的不 均，从而产生指向偏离方向的麦克斯韦